定向天线电磁辐射数据分析

祁 征，钟志刚，马红兵，张方建，史庆飞（.中讯邮电咨询设计院有限公司郑州分公司，河南郑州 0007；.中讯邮电咨询设计院有限公司，北京 0008；.中国联合网络通信集团有限公司，北京 000；.中国铁塔股份有限公司河南省分公司，河南郑州 0000；.中兴通讯股份有限公司，广东深圳 0000）

1 概述

基站电磁辐射对公众人身安全的影响一直是国际国内研究热点，移动通信基站由于信号覆盖的要求，在居民区建设密集度不断增加，电磁波辐射被越来越多的人了解并感到恐惧，国内已发生多起居民要求运营商拆除所在小区基站的事件，小区居民通过砍断通信馈线阻止运营商再设新的基站。为保护公众健康，防止电磁辐射对环境产生污染，美国、中国、国际非电离辐射委员会（ICNIRP）都制定了相应的安全标准，但这些标准之间安全限值相差甚大，美国的安全卫生标准的规定：正常环境条件下任何6 min 内，平均功率密度不能超过10 mW∕cm2；国际非电离辐射委员会（ICNIRP）制定的标准将受众分为职业群体和公众群体，对于公众暴露限值，在2 000 MHz 的以上功率密度限值为50 μW∕cm2。我国也发布了国家标准《电磁环境控制限值》（GB8702-2014），规定了相关限值来限制电磁辐射可能超标的问题，在30～3 000 MHz 范围内的控制限值为40 μW∕cm2。

本文以国家标准《电磁环境控制限值》（GB8702-2014）为依据，以现场测量的基站电磁辐射数据为研究对象，通过大量的数据分析，对基站天线方向、角度等提出合理化建议，以减小对附近居民造成的电磁辐射超标影响，并指导各运营商的基站建设，减少因电磁辐射测量值不合格产生的纠纷。

2 基站天线

2.1 天线增益

天线的方向性越好，增益越高，波瓣越窄，能量也越集中。天线增益是指在相同输入功率下，理想天线与参考天线在空间同一点处的功率密度之比。

一般移动基站常见天线的增益如表1所示。

表1 移动基站常见天线的增益

2.2 天线的方向性

天线辐射电磁场分布在以天线为中心某一距离为半径的球面上，其随空间角度分布的图形称为辐射方向图。在天线方向图中，通常都有2个或多个瓣，其中最大的称为主瓣。主瓣的2个半功率点（3 dB 点）间的夹角被定义为天线方向图的波瓣宽度，也称为半功率（角）瓣宽（见图1）。

图1 天线方向图每个天线都有垂直及水平2个方向的半功率角

目前移动基站使用最多的定向天线就是水平半功率角为60～65°的板式天线，通常基站天线由一组3个方向角间隔120°的板式天线组成，正前方功率最大，任意2个天线过渡区的功率比正前方低10 dB。

基站电磁辐射测量通常在主波瓣范围内进行。

3 基站天线电磁场的衰减与叠加

3.1 基站天线电磁辐射的衰减

天线周围的空间电磁场根据特性不同又可划分为3 个不同区域：电抗性近场、辐射近场和辐射远场，在进行基站电磁辐射检测时，通常只考虑远场情况。

远场电磁波功率密度计算公式如下：

式中：

P——发射功率（W）

G——天线增益（dBi）

r——天线与被测点的距离（m）

典型基站主波瓣方向的辐射计算结果如表2 所示。

表2 天线增益为17 dBi，不同发射功率情况下典型基站主波瓣方向辐射计算（单位：μW∕cm2）

常见的65o板式天线，在水平方向由主发射方向左右偏转32.5o正好是天线的半功率点，该点的功率密度为主方向的1∕2，而在120o的扇区边缘，衰减为10 dB，只有主发射方向的1∕10。

65o板式天线典型的垂直半功率角为14o，主发射方向向下偏转7o为半功率点，向下偏转15o为1∕10点。

以上计算结果均不超过国家标准《电磁环境控制限值》（GB8702-2014）规定的对应限值40 μW∕cm2。计算天线不同方向不超过8 μW∕cm2的距离如表3所示。

表3 不同方向不超过8 μW∕cm2的距离值

3.2 基站天线多系统信号的叠加

很多基站内分别安装有多套系统，如2G（900 MHz、1 800 MHz）、3G、4G 等，也常有多运营商共站或相邻的情况，这时基站周围电磁场是多系统信号相互叠加在一起。

根据电磁波理论，多信号电波在空间叠加时形成复合场强，总功率密度等于各信号功率密度之和，总场强的平方等于各信号场强平方和。

即总功率密度：

总场强：

常见计量单位换算及导出如下。

a）场强与功率密度的导出关系为：

式中：

S——功率密度（W∕m2）

E——电场强度（V∕m）

b）磁场强度与功率密度的导出关系（远场）：

式中：

S——功率密度（W∕m2）

H——磁场强度（A∕m）

以上电磁波的能量叠加关系也在实际测试中得到验证。例如：某地区选取了30个多运营商共站或相邻的站址，用选频场强仪同步检测各系统信号功率密度和800～2 400 MHz 带宽内的总功率密度；除一列因带内有较强其他干扰信号外，其余29处空间各通信信号功率密度之和是总功率密度的98%～100%。以上测试中各运营商信号包含GSM、WCDMA、CDMA2000、TD-CDMA、LTE等不同制式，但叠加效果并没有区别。

以某站测试数据为例（见表4），该站天线高度为12 m，检测距离为10～20 m。分别测试了8个频段的功率密度值和总频段的功率密度值，8 个分频段的功率密度值相加为5.43 mW∕m2，总频段的功率密度值为5.47 mW∕m2。

表4 基站分频段与总频段测试对比

4 测试方法及标准依据

4.1 测试方法

测试人员乘坐高空作业车，首先在正对天线处，在天线等高面上分别测量与天线距离5、10、15 m 等处的辐射值，然后下降一段距离，比如下降3 m，在此高度处再分别测量与天线距离为5、10、15 m 等处的辐射值，依次下降直到接近地面。

测试采用2种仪表。

a）narda公司生产的NBM550宽带辐射测量仪，采用100 kHz～3 GHz 的专用探头，可测试辐射的电场强度和功率密度。宽带辐射测量仪的测试主要是了解基站周边电磁辐射的分布，测量方式与《移动通信基站电磁辐射环境监测方法》一致。

b）narda 公司生产的SMR3006型选频式辐射测量仪，可以分别（或同时）测量现有移动通信频段内各频段辐射值。选频式辐射测量仪的测试主要研究多系统信号叠加及背景辐射源等。

4.2 测试标准

4.2.1 测试依据

测试依据《辐射环境保护管理导则-电磁辐射环境影响评价方法与标准》（HJ∕T10.3-1996）中4.1 条和4.2条。

4.2.2 辐射限值

GB8702-2014 标准中对公众照射的要求为：在1天24 h 内，环境电磁辐射场的参数在任意连续6 min内的平均值应满足如表5所示要求。

表5 环境电磁辐射场公众暴露控制限值

5 基站电磁辐射的数据分析

通过对测试数据的筛选，选择最高值作为功率基准，计算各测试点相对于基准值比值的对数来表示信号功率变化情况，并对数据结果计算取平均值，得出定向天线电磁场空间分布规律如表6 所示，衰减曲线如图2所示。

表6 定向天线电磁场的空间分布

图2 电磁场空间分布衰减曲线示意图

从图2可以看出，靠近天线距离越近，电磁辐射随偏离主轴距离衰减越快，距离天线越远，随偏离主轴距离衰减越慢。

6 结论

通过对基站定向天线的选频测量分析，发现电磁辐射超标的现象只在小范围内出现，小范围通常指近场区域或人群很难接触到的区域，人群能接触的高度的测量值都很小。天线下方是辐射死角，衰减很大，因此靠近天线下方反而电磁辐射值很小。

通过对空间磁场实测数据进行分析，得出了定向天线电磁场空间分布衰减趋势。与理论计算的绝对值有较大差异，实际辐射测量值由于传输或者线缆的衰减小于理论计算值，但是衰减规律与理论计算相符，靠近天线距离越近，电磁辐射随偏离主轴距离衰减越快，距离天线越远，随偏离主轴距离衰减越慢，通信运营商可参考以上衰减关系根据现场情况调整天线方向，减少因电磁辐射测量值超标产生纠纷。